Системные вызовы linux что это

Глава 8 Системные вызовы Linux

Системные вызовы Linux

Мы уже познакомились с большим количеством функций, реализующих различные системные задачи, например анализ командной строки, манипулирование процессами и отображение файлов в памяти. Если присмотреться повнимательнее, то окажется, что все они подпадают под две категории в зависимости от способа реализации.

? Библиотечная функция — это обычная функция, которая находится во внешней библиотеке, подключаемой к программе. Большинство рассмотренных нами функций содержится в стандартной библиотеке языка С, libc. Вызов библиотечной функции реализуется традиционно: ее аргументы помещаются в регистры процессора или в стек и управление передается в начало кода функции (этот код находится в библиотеке, загруженной в память).

? Системный вызов реализован в ядре Linux. Аргументы вызова упаковываются и передаются ядру, которое берет на себя управление программой, пока вызов не завершится. Системный вызов — это не обычная функция, и для передачи управления ядру требуется специальная подпрограмма. В GNU-библнотеке языка С (реализация стандартной библиотеки, имеющаяся в Linux) для системных вызовов созданы функции-оболочки, упрощающие обращение к ним. В качестве примеров системных вызовов можно привести низкоуровневые функции ввода-вывода, такие как open() и read().

Совокупность системных вызовов Linux формирует основной интерфейс между программами и ядром. Каждому вызову соответствует некая элементарная операция или функция.

Некоторые системные вызовы оказывают очень большое влияние на систему. Например. есть вызовы, позволяющие завершить работу Linux, выделить системные ресурсы или запретить другим пользователям доступ к ресурсам. С такими вызовами связано ограничение: только процессы, выполняющиеся с привилегиями суперпользователя (учетная запись root), имеют право обращаться к ним. В противном случае вызовы завершатся ошибкой.

Внутри себя библиотечная функция может обращаться к другим функциям или системным вызовам.

В настоящее время в Linux есть около 200 системных вызовов. Их список находится в файле /usr/include/asm/unistd.h. Некоторые из них используются только внутри системы, а некоторые предназначены лишь для реализации специализированных библиотечных функций. В этой главе будут рассмотрены те системные вызовы, которые чаще всего используются системными программистами.

Читайте также

3.2.3. Системные вызовы: brk() и sbrk()

3.2.3. Системные вызовы: brk() и sbrk() Четыре функции, которые мы рассмотрели (malloc(), calloc(), realloc() и free()) являются стандартными, переносимыми функциями для управления динамической памятью.На Unix-системах стандартные функции реализованы поверх двух дополнительных, очень примитивных

10.4.4. Системные вызовы, допускающие повторный запуск

10.4.4. Системные вызовы, допускающие повторный запуск Значение EINTR для errno (см. раздел 4.3 «Определение ошибок») указывает, что системный вызов был прерван. Хотя с этим значением ошибки может завершаться большое количество системных вызовов, двумя наиболее значительными

Системные вызовы для управления планировщиком

Системные вызовы для управления планировщиком Операционная система Linux предоставляет семейство системных вызовов для управления параметрами планировщика. Эти системные вызовы позволяют манипулировать приоритетом процесса, стратегией планирования и процессорной

Системные вызовы, связанные с управлением стратегией и приоритетом

Системные вызовы, связанные с управлением стратегией и приоритетом Системные вызовы sched_setscheduler() и sched_getcheduler() позволяют соответственно установить и получить значение стратегии планирования и приоритета реального времени для указанного процесса. Реализация этих

Системные вызовы управления процессорной привязкой

Системные вызовы управления процессорной привязкой Планировщик ОС Linux может обеспечивать жесткую процессорную привязку (processor affinity). Хотя планировщик пытается обеспечивать мягкую или естественную привязку путем удержания процессов на одном и том же процессоре, он

Глава 5 Системные вызовы

Глава 5 Системные вызовы Ядро операционной системы предоставляет набор интерфейсов, благодаря которым процессы, работающие в пространстве пользователя, могут взаимодействовать с системой. Эти интерфейсы предоставляют пользовательским программам доступ к аппаратному

Почему не нужно создавать системные вызовы

Почему не нужно создавать системные вызовы Новый системный вызов легко реализовать, тем не менее это необходимо делать только тогда, когда ничего другого не остается. Часто, для того чтобы обеспечить новый системный вызов, существуют более подходящие варианты. Давайте

9.2. Системные вызовы

9.2. Системные вызовы В этой книге практически повсеместно упоминаются системные вызовы, которые являются фундаментальными для программного окружения. На первый взгляд, они выглядят как обычные вызовы функций С. И это не случайно; они представляют собой специальную

12.1.4. Сигналы и системные вызовы

12.1.4. Сигналы и системные вызовы Часто сигналы доставляются процессу, который находится состоянии ожидания наступления некоторого внешнего события. Например, текстовый редактор часто ожидает завершения read(), чтобы возвратить ввод терминала. Когда системный

Системные вызовы и функции стандартных библиотек

Системные вызовы и функции стандартных библиотек Все версии UNIX предоставляют строго определенный ограниченный набор входов в ядро операционной системы, через которые прикладные задачи имеют возможность воспользоваться базовыми услугами, предоставляемыми UNIX. Эти

Глава 7 Системные вызовы в UNIX

Глава 7 Системные вызовы в UNIX В настоящей главе мы рассмотрим самый низкий уровень взаимодействия с операционной системой UNIX системные вызовы. Они являются входами в ядро. Эти средства предоставляются операционной системой; все остальные средства построены на их

5.1. Системные вызовы fork() и ехес()

5.1. Системные вызовы fork() и ехес() Процесс в Linux (как и в UNIX) — это программа, которая выполняется в отдельном виртуальном адресном пространстве. Когда пользователь регистрируется в системе, под него автоматически создается процесс, в котором выполняется оболочка (shell),

Глава 7. Системные трюки

Глава 7. Системные трюки 7.1. Антивирус ClamAV 7.1.1. Вирусы в Linux Первым делом нужно разрушить миф о том, что в Linux нет вирусов. Вирусы в Linux есть. По данным сайта www.virus-list.com для Linux написано всего 1111 вирусов (на момент написания этих строк). Почему «всего»? Потому что по данным того же

3.4.2. Системные вызовы wait()

3.4.2. Системные вызовы wait() Самая простая функция в семействе называется wait(). Она блокирует вызывающий процесс до тех пор, пока один из его дочерних процессов не завершится (или не произойдет ошибка). Код состояния потомка возвращается через аргумент, являющийся указателем

5.5.2. Системные вызовы

5.5.2. Системные вызовы Сокеты являются более гибкими в управлении, чем рассмотренные выше механизмы межзадачного взаимодействия. При работе с сокетами используются следующие функции:? socket() — создает сокет;? close() — уничтожает сокет;? connect() — устанавливает соединение

Источник

Разбираемся с системными вызовами в Linux с помощью strace

Перевод статьи подготовлен специально для студентов базового и продвинутого курсов Administrator Linux.

Системный вызов — это механизм взаимодействия пользовательских программ с ядром Linux, а strace — мощный инструмент, для их отслеживания. Для лучшего понимания работы операционной системы полезно разобраться с тем, как они работают.

В операционной системе можно выделить два режима работы:

• Режим ядра (kernel mode) — привилегированный режим, используемый ядром операционной системы.
• Пользовательский режим (user mode) — режим, в котором выполняется большинство пользовательских приложений.

Пользователи при повседневной работе обычно используют утилиты командной строки и графический интерфейс (GUI). При этом в фоне незаметно работают системные вызовы, обращаясь к ядру для выполнения работы.

Системные вызовы очень похожи на вызовы функций, в том смысле, что в них передаются аргументы и они возвращают значения. Единственное отличие состоит в том, что системные вызовы работают на уровне ядра, а функции нет. Переключение из пользовательского режима в режим ядра осуществляется с помощью специального механизма прерываний.

Большая часть этих деталей скрыта от пользователя в системных библиотеках (glibc в Linux-системах). Системные вызовы по своей природе являются универсальными, но несмотря на это, механика их выполнения во многом аппаратно-зависима.

В этой статье рассматривается несколько практических примеров анализа системных вызовов с помощью strace . В примерах используется Red Hat Enterprise Linux, но все команды должны работать и в других дистрибутивах Linux:

Для начала убедитесь, что в вашей системе установлены необходимые инструменты. Проверить установлен ли strace можно с помощью приведенной ниже команды. Для просмотра версии strace запустите ее с параметром -V:

Если strace не установлен, то установите запустив:

Для примера создайте тестовый каталог в /tmp и два файла с помощью команды touch :

(Я использую каталог /tmp только потому, что доступ к нему есть у всех, но вы можете использовать любой другой.)

С помощью команды ls проверьте, что в каталоге testdir создались файлы:

Вероятно, вы используете команду ls каждый день, не осознавая того, что под капотом работают системные вызовы. Здесь в игру вступает абстракция. Вот как работает эта команда:

Команда ls вызывает функции из системных библиотек Linux (glibc). Эти библиотеки, в свою очередь, вызывают системные вызовы, которые выполняют большую часть работы.

Если вы хотите узнать, какие функции вызывались из библиотеки glibc, то используйте команду ltrace со следующей за ней командой ls testdir/ :

Если ltrace не установлен, то установите:

На экране будет много информации, но не беспокойтесь — мы это рассмотрим далее. Вот некоторые из важных библиотечных функций из вывода ltrace :

Изучив этот вывод, вы, вероятно, поймете, что происходит. Каталог с именем testdir открывается с помощью библиотечной функции opendir , после чего следуют вызовы функций readdir , читающих содержимое каталога. В конце происходит вызов функции closedir , которая закрывает каталог, открытый ранее. Пока проигнорируйте остальные функции, такие как strlen и memcpy .

Как вы видите, можно легко посмотреть вызываемые библиотечные функции, но в этой статье мы сфокусируемся на системных вызовах, которые вызываются функциями системных библиотек.

Для просмотра системных вызовов используйте strace с командой ls testdir , как показано ниже. И вы снова получите кучу бессвязной информации:

В результате выполнения strace вы получите список системных вызовов, выполненных при работе команды ls . Все системные вызовы можно разделить на следующие категории:

• Управление процессами
• Управление файлами
• Управление каталогами и файловой системой
• Прочие

Есть удобный способ анализа полученной информации — записать вывод в файл с помощью опции -o .

На этот раз на экране не будет никаких данных — команда ls отработает, как и ожидается, показав список файлов и записав весь вывод strace в файл trace.log . Для простой команды ls файл содержит почти 100 строк:

Взгляните на первую строку в файле trace.log :

• В начале строки находится имя выполняемого системного вызова — это execve.
• Текст в круглых скобках — это аргументы, передаваемые системному вызову.
• Число после знака = (в данном случае 0) — это значение, возвращаемое системным вызовом.

Теперь результат не кажется слишком пугающим, не так ли? И вы можете применить ту же логику и для других строк.

Обратите внимание на ту единственную команду, которую вы вызвали — ls testdir . Вам известно имя каталога, используемое командой ls , так почему бы не воспользоваться grep для testdir в файле trace.log и не посмотреть, что найдется? Посмотрите внимательно на результат:

Возвращаясь к приведенному выше анализу execve , можете ли вы сказать, что делает следующий системный вызов?

Не нужно запоминать все системные вызовы и то, что они делают: все есть в документации. Man-страницы спешат на помощь! Перед запуском команды man убедитесь, что установлен пакет man-pages :

Помните, что вам нужно добавить «2» между командой man и именем системного вызова. Если вы прочитаете в man про man ( man man ), то увидите, что раздел 2 зарезервирован для системных вызовов. Аналогично если вам нужна информация о библиотечных функциях, то нужно добавить 3 между man и именем библиотечной функции.

Ниже приведены номера разделов man :

Для просмотра документации по системному вызову запустите man с именем этого системного вызова.

В соответствии с документацией системный вызов execve выполняет программу, которая передается ему в параметрах (в данном случае это ls ). В него также передаются дополнительные параметры для ls. В этом примере это testdir . Следовательно, этот системный вызов просто запускает ls с testdir в качестве параметра:

В следующий системный вызов stat передается параметр testdir :

Для просмотра документации используйте man 2 stat . Системный вызов stat возвращает информацию об указанном файле. Помните, что все в Linux — файл, включая каталоги.

Далее системный вызов openat открывает testdir . Обратите внимание, что возвращается значение 3. Это дескриптор файла, который будет использоваться в последующих системных вызовах:

Теперь откройте файл и обратите внимание на строку, следующую после системного вызова openat . Вы увидите системный вызов getdents , который делает большую часть необходимой работы для выполнения команды ls testdir . Теперь выполним grep getdents для файла trace.log :

В документации ( man getdents ) говорится, что getdents читает записи каталога, это, собственно, нам и нужно. Обратите внимание, что аргумент для getdent равен 3 — это дескриптор файла, полученный ранее от системного вызова openat .

Теперь, когда получено содержимое каталога, нужен способ отобразить информацию в терминале. Итак, делаем grep для другого системного вызова write , который используется для вывода на терминал:

В аргументах вы можете видеть имена файлов, которые будут выводится: file1 и file2 . Что касается первого аргумента (1), вспомните, что в Linux для любого процесса по умолчанию открываются три файловых дескриптора:

• 0 — стандартный поток ввода
• 1 — стандартный поток вывода
• 2 — стандартный поток ошибок

Таким образом, системный вызов write выводит file1 и file2 на стандартный вывод, которым является терминал, обозначаемый числом 1.

Теперь вы знаете, какие системные вызовы сделали большую часть работы для команды ls testdir/ . Но что насчет других 100+ системных вызовов в файле trace.log ?

Операционная система выполняет много вспомогательных действий для запуска процесса, поэтому многое из того, что вы видите в файле trace.log — это инициализация и очистка процесса. Посмотрите файл trace.log полностью и попытайтесь понять, что происходит во время запуска команды ls .

Теперь вы можете анализировать системные вызовы для любых программ. Утилита strace так же предоставляет множество полезных параметров командной строки, некоторые из которых описаны ниже.

По умолчанию strace отображает не всю информацию о системных вызовах. Однако у нее есть опция -v verbose , которая покажет дополнительную информацию о каждом системном вызове:

Хорошая практика использовать параметр -f для отслеживания дочерних процессов, созданных запущенным процессом:

А если вам нужны только имена системных вызовов, количество их запусков и процент времени, затраченного на выполнение? Вы можете использовать опцию -c , чтобы получить эту статистику:

Если вы хотите отследить определенный системный вызов, например, open , и проигнорировать другие, то можно использовать опцию -e с именем системного вызова:

А что, если нужно отфильтровать по нескольким системным вызовам? Не волнуйтесь, можно использовать ту же опцию -e и разделить необходимые системные вызовы запятой. Например, для write и getdent :

До сих пор мы отслеживали только явный запуск команд. Но как насчет команд, которые были запущены ранее? Что, если вы хотите отслеживать демонов? Для этого у strace есть специальная опция -p , которой вы можете передать идентификатор процесса.

Мы не будем запускать демона, а используем команду cat , которая отображает содержимое файла, переданного ему в качестве аргумента. Но если аргумент не указать, то команда cat будет просто ждать ввод от пользователя. После ввода текста она выведет введенный текст на экран. И так до тех пор, пока пользователь не нажмет Ctrl+C для выхода.

Запустите команду cat на одном терминале.

На другом терминале найдите идентификатор процесса (PID) с помощью команды ps :

Теперь запустите strace с опцией -p и PID’ом, который вы нашли с помощью ps . После запуска strace выведет информацию о процессе, к которому он подключился, а также его PID. Теперь strace отслеживает системные вызовы, выполняемые командой cat . Первый системный вызов, который вы увидите — это read, ожидающий ввода от потока с номером 0, то есть от стандартного ввода, который сейчас является терминалом, на котором запущена команда cat :

Теперь вернитесь к терминалу, где вы оставили запущенную команду cat , и введите какой-нибудь текст. Для демонстрации я ввел x0x0 . Обратите внимание, что cat просто повторил то, что я ввел и x0x0 на экране будет дважды.

Вернитесь к терминалу, где strace был подключен к процессу cat . Теперь вы видите два новых системных вызова: предыдущий read , который теперь прочитал x0x0 , и еще один для записи write , который записывает x0x0 обратно в терминал, и снова новый read , который ожидает чтения с терминала. Обратите внимание, что стандартный ввод (0) и стандартный вывод (1) находятся на одном и том же терминале:

Представляете, какую пользу может принести вам запуск strace для демонов: вы можете увидеть все, что делается в фоне. Завершите команду , нажав . Это также прекратит сеанс , так как отслеживаемый процесс был прекращен.

Для просмотра отметок времени системных вызовов используйте опцию -t :

А если вы хотите узнать время, проведенное между системными вызовами? Есть удобная опция -r , которая показывает время, затраченное на выполнение каждого системного вызова. Довольно полезно, не так ли?

Заключение

Утилита strace очень удобна для изучения системных вызовов в Linux. Чтобы узнать о других параметрах командной строки, обратитесь к man и онлайн-документации.

Источник